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1、粉末冶金成形及其他新型成形方法 第五章一、粉末冶金成形定义：一、粉末冶金成形定义：采用成成形形和烧烧结结等工序将金金属属粉粉末末，或金金属属与非非金金属属粉粉末末的混合物，制成金属制品的工艺方法。粉末冶金成形概述此工艺方法又被称为金属陶瓷法。粉末冶金工艺的基本工序：原料粉末的制取和准备金属粉末是粉末冶金的主要原料。它是尺寸小于1mm的金属颗粒群。包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。金属粉末的制取和应用渊源久远：古代曾用金、银、铜、青铜及其某些氧化物粉末作涂料，用于陶器、首饰等器具的着色、装饰；20世纪初,美国人库利吉()用氢还原氧化钨生产钨粉以制取钨丝，是近代金属粉
2、末生产的开端；此后用化学还原法制取了铜、钴、镍、铁、碳化钨等多种粉末，促进了早期粉末冶金制品(含油多孔轴承、多孔过滤器、硬质合金等)的发展；30年代先后采用低成本的涡流研磨法及还原法制取铁粉，还出现了熔融金属雾化法，用于制取锡、铅、铝等低熔点金属粉末；40年代初发展成为用高压空气雾化制取铁粉；50年代开始用高压水雾化制取合金钢和多种合金粉末；60年代研究出多种雾化方式生产高合金粉末，促进了高性能粉末冶金制品的发展；70年代出现了多种气相和液相物理化学反应方法，制取重要用途的包覆粉末和超细粉末。将金属粉末及各种添加剂均匀混合后制成所需形状的坯块；坯块烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。粉
3、末冶金工艺过程：粉末冶金工艺过程示意图原料粉末添加剂混合压制成形烧结零件成品 近代粉末冶金技术发展的三个重要标志：克服了难熔金属熔铸过程中的困难；多孔含油轴承的研制成功及粉末冶金机械零件的发展，发挥了粉末冶金少、无切削的特点；向新材料、新工艺发展。与液态成形相比，粉末冶金主要优点：可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点；材料某些独特的性能或者显微组织也只能用粉末冶金方法来实现；一些活性金属、高熔点金属制品用其它工艺成形十分困难。金属粉末和粉末冶金制品、材料的应用举例见P214表5-2。大批量生产时，粉末冶金法生产效率高、能耗低、材料省，价格低廉。其经济效益对比见P214表5-1。5.1 粉末冶金
4、成形(一一)粉末制备粉末制备 制制取取粉粉末末：主主要要取取决决于于该该材材料料的的性性能能及及制制取取方方法法的的成成本本。粉粉末末的的形形成成是是将将能能量量传传递递到材料，从而制造新生表面的过程。到材料，从而制造新生表面的过程。按转变的作用原理将粉末制取方法分为：机械法 物理化学法 粉末冶金生产实践中，机械法和物理化学法之间并没有明显界限，是相互补充的。常用的粉末制取方法：还原法、雾化法、电解法。1.1.机械粉碎法机械粉碎法:设备分粗碎和细碎两类。主要起压碎作用的有碾碎机、辊轧机、颚式破碎机等粗碎设备。主要起击碎和磨削作用的有锤碎机、棒磨机、球磨机、振动球磨机、搅动球磨机等细碎设备。机械
5、粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属、合金或化合物机械地粉碎成粉末。机械粉碎法主要有：机械研磨法 机械合金化涡旋研磨 冷气流粉碎 机械研磨比较适用于脆性材料，涡旋研磨和冷气流粉碎等方法多用于塑性金属或合金粉末制取。2.2.雾化法雾化法:雾化法是将液体金属或合金直接破碎，形成直径小于150m的细小液滴，冷凝而成为粉末。雾化设备：主要的雾化方法：水雾化或气雾化，也称二流雾化 离心雾化 真空雾化 超声波雾化 水雾化或气雾化，也称二流雾化水雾化 气雾化水雾化和气雾化示意图 借助高压水流或高压气流的冲击来破碎液流。离心雾化离心雾化示意图 利用离心力破碎液流。真空雾化真空(溶气)雾化示意图 在真空中
6、雾化。超声波雾化 超声雾化示意图 利用超声波能量来实现液流的破碎。3.3.还原法还原法:用还原剂还原金属氧化物及盐类来制取金属粉末，是一种广泛采用的制粉方法。最简单的反应以下式表示：MeO+XMe+XO 式中:Me-生成氧化物MeO的金属；X-还原剂。此此此此外外外外还还还还可可可可通通通通过过过过气气气气相相相相沉沉沉沉积积积积法法法法和和和和液液液液相相相相沉沉沉沉淀淀淀淀法法法法来来来来制制制制取取取取金属粉末。金属粉末。金属粉末。金属粉末。(二二)粉末配制粉末配制 粉粉末末冶冶金金成成形形前前，要要对对粉粉末末进进行行预预处理及配制。处理及配制。预处理包括：退火退火 筛分筛分 制粒制粒
7、1.退火 粉粉末末预预先先退退火火可可使使残残留留氧氧化化物物进进一一步步还还原原、降降低低碳碳和和其其它它杂杂质质的的含含量量，提提高高粉粉末末的的纯度，消除粉末的加工硬化等。纯度，消除粉末的加工硬化等。退火温度因金属粉末的种类而异，一般退火温度可按下式计算：退退退退火火火火一一一一般般般般用用用用还还还还原原原原性性性性气气气气氛氛氛氛，有有有有时时时时也也也也可用惰性气氛或者真空。可用惰性气氛或者真空。可用惰性气氛或者真空。可用惰性气氛或者真空。T退=（0.50.6）T熔 式中 T退-退火温度，K；T熔-合金的熔点，K。2筛分把把颗颗粒粒大大小小不不匀匀的的原原始始粉粉末末进进行行分分级
8、级，使使粉粉末末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。3制粒 将将小小颗颗粒粒的的粉粉末末制制成成大大颗颗粒粒或或团团粒粒的的工序，常用来改善粉末的流动性。工序，常用来改善粉末的流动性。4混合 将两种或两种以上不同成分粉末均匀混合的过程。将两种或两种以上不同成分粉末均匀混合的过程。混合包括：机械法和化学法。(三三)压坯压坯 压坯方法包括：压制成形无压成形压制成形：压制成形：压制成形：压制成形：封闭钢模冷压成形封闭钢模冷压成形封闭钢模冷压成形封闭钢模冷压成形 高能率成形高能率成形高能率成形高能率成形 流体等静压制成形流体等静压制成形流体等静压制成形流体等
9、静压制成形 挤压成形挤压成形挤压成形挤压成形 粉末塑性成形粉末塑性成形粉末塑性成形粉末塑性成形 轧制成形轧制成形轧制成形轧制成形 三轴向压制成形三轴向压制成形三轴向压制成形三轴向压制成形 振动压制成形振动压制成形振动压制成形振动压制成形主要功能：主要功能：主要功能：主要功能：将粉末成形为所要求的形状；将粉末成形为所要求的形状；将粉末成形为所要求的形状；将粉末成形为所要求的形状；赋予坯体以精确的几何形状与赋予坯体以精确的几何形状与赋予坯体以精确的几何形状与赋予坯体以精确的几何形状与尺寸；尺寸；尺寸；尺寸；赋予坯体要求的孔隙度和孔隙赋予坯体要求的孔隙度和孔隙赋予坯体要求的孔隙度和孔隙赋予坯体要求的
10、孔隙度和孔隙类型；类型；类型；类型；赋予坯体以适当的强度，以便赋予坯体以适当的强度，以便赋予坯体以适当的强度，以便赋予坯体以适当的强度，以便搬运。搬运。搬运。搬运。无压成形：无压成形：无压成形：无压成形：粉浆浇注粉浆浇注粉浆浇注粉浆浇注 松装烧结松装烧结松装烧结松装烧结着重了解封闭钢模冷压成形方法着重了解封闭钢模冷压成形方法。封闭钢模冷压成形：常温下,粉料在封闭钢模中，按规定的单位压力,将粉料制成压坯的方法。工序组成：工序组成：称粉称粉 装粉装粉 压制压制 保压及脱模保压及脱模 1称粉与装粉 称量形成一个压坯所需粉料的质量或容积。采用非自动压模和小批量生产时，多用质量法；大量生产和自动化压制成
11、形时，一般采用容积法。装粉方式：落入法、吸入法、多余充填法。落入法 送粉器移送到型腔上，粉末自由落入型腔中。吸入法 下模冲位于顶出压坯的位置，送粉器被移送到型腔上，下模冲下降复位时，粉料被吸入型腔中。多余充填法 芯棒下降到下模冲的位置，粉末落入型腔中，然后芯棒升起，将多余的粉末顶出，并被送粉器刮回，适用于薄壁深腔的压模。2压制 按一定的单位压力，将装在型腔中的粉料，集聚成达到一定强度、密度、形状和尺寸要求的压坯工序。单向压制 双向压制 浮动压制 三种基本压制方式(1)压坯密度的均匀性 压坯密度的均匀性是其质量的重要标志。烧烧结结制制品品的的强强度度、硬硬度度及及各各部部分分性性能能的的同同一性
12、，皆取决于密度分布的均匀程度；一性，皆取决于密度分布的均匀程度；压压坯坯密密度度分分布布不不均均匀匀，在在烧烧结结时时将将导导致致收收缩缩不不均均匀匀，从从而而使使制制品品中中产产生生很很大大的的应应力力，出现翘曲变形、甚至裂纹等。出现翘曲变形、甚至裂纹等。压制成形时应力求使压坯密度分布均匀。(2)压制过程 粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧；粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形；粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态；粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力，粉末颗粒被破坏和结晶细化。3脱模 压坯从模具型腔中脱出是压制工序中重要的一步。剩余侧压强的存在使压坯与模
13、壁间产生很大的摩擦阻力，脱模力必须大于这个摩擦阻力，才能使压坯脱出型腔。(四四)烧结烧结 烧结过程中，固体颗粒表面能的减小是烧结的“推动力”。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘接，烧结体的强度增加，密度提高。烧烧烧烧结结结结：压压压压坯坯坯坯置置置置于于于于基基基基体体体体金金金金属属属属熔熔熔熔点点点点以以以以下下下下温温温温度度度度加加加加热热热热保保保保温温温温，粉粉粉粉末末末末颗颗颗颗粒粒粒粒之之之之间间间间产产产产生生生生原原原原子子子子扩扩扩扩散散散散、固固固固溶溶溶溶、化化化化合合合合和和和和熔熔熔熔接接接接，致使压坯收缩并强化。致使压坯收缩并强化。致使压坯收缩并强化。致使压坯收缩并
14、强化。颗粒聚结过程示意图表面积:8r2 6.35r2不可逆的表面能减小过程。rrR(五五)后处理后处理 浸渍 表面冷挤压 切削加工 热处理 表面保护处理 常用的后处理方法：后后后后处处处处理理理理：金金金金属属属属粉粉粉粉末末末末压压压压坯坯坯坯烧烧烧烧结后的进一步处理。结后的进一步处理。结后的进一步处理。结后的进一步处理。三、模压成形粉末冶金制品结构工艺 1 避免模具出现脆弱的尖角。尖角改倒角C45(或圆角，R0.5mm)，C=13mm 避免组合模冲出现脆弱的尖角 利用模冲加工和提高其强度 避免相切 2避免模具和压坯出现局部薄壁壁厚应不小于1.5mm 利于装粉均匀，增强压坯，烧结收缩均匀 避
15、免局部薄壁 增大最小壁厚 利于装粉和压坯密度均匀，增强模冲及压坯 利利于于压压坯坯密密度度均均匀匀，减减小小烧结变形。烧结变形。键槽改为平面结构 3锥面和斜面需有一小段平直带 压制时避免模具损坏 在斜面的一端加0.5mm的平直带 4需要有脱模锥角或圆角 简化模冲结构 圆柱改为圆锥，斜角5，或改为圆角，R=H 5避免垂直于压制方向的侧凹 利于成形 避免侧凹 6适应压制方向的需要 利于成形和脱模 圆柱面改成带一段平直部分 7压制工艺对结构设计的要求 垂直于压制方向的孔螺纹 不当设计修改后形状倒锥 不当设计修改后形状粉末冶金成形件缺陷分析 1局部密度(中间密度过低)改进措施：改进措施：改 用 双向摩
16、擦压制；减小模壁粗糙度；在模壁上或粉料中加润滑剂。侧侧面面积积过过大大：模壁粗糙；模壁润滑差；粉料压制性差。2超差 一端密度过低 密度高或低 薄壁处密度低 3裂纹 拐角处裂纹 对角裂纹 侧面龟裂 4皱纹(即轻度重皮)内台拐角皱纹 外球面皱纹 过压皱纹 5缺角掉边 掉棱角 侧面局部剥落 6表面划伤 改改进进措措施施：提高模壁的硬度、减小粗糙度；消除模瘤，加强润滑。模腔表面粗糙度大或硬度低；模壁产生模瘤；模腔表面局部被啃或划伤。此外，还有尺寸超差及不同心度超差等缺陷。四、粉末冶金非模压特殊成形方法 1粉末锻造成形(二)粉末注射成形 将将将将粉粉粉粉末末末末与与与与有有有有机机机机粘粘粘粘结结结结剂
17、剂剂剂均均均均匀匀匀匀混混混混合合合合，形形形形成成成成具具具具有有有有流流流流变变变变性性性性的的的的物物物物质质质质，采采采采用用用用注注注注射射射射机机机机将将将将其其其其具具具具有有有有零零零零件件件件形形形形状状状状的的的的模模模模腔腔腔腔，形形形形成成成成坯坯坯坯件件件件，再再再再脱脱脱脱除除除除坯坯坯坯件件件件中粘结剂并经烧结成为制品中粘结剂并经烧结成为制品中粘结剂并经烧结成为制品中粘结剂并经烧结成为制品。(三)金属粉末轧制成形 五、几种典型粉末冶金制品与材料(一)粉末冶金高速钢 粉粉粉粉 末末末末 冶冶冶冶 金金金金高高高高速速速速钢钢钢钢经经经经惰惰惰惰性性性性气气气气体体体
18、体雾雾雾雾化化化化为为为为粉粉粉粉末末末末，经经经经冷冷冷冷等等等等静静静静压压压压制制制制成成成成坯坯坯坯件件件件，高高高高温温温温、高高高高压压压压下下下下热热热热等等等等静静静静压压压压实实实实现致密固结。现致密固结。现致密固结。现致密固结。(二)硬质合金 硬质基体硬质基体 碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化铌等难熔碳化物粉末 粘接金属粘接金属 钴等金属粉末(三)粉末冶金多孔材料 粉末冶金多孔材料可制成：粉末冶金多孔材料可制成：粉末冶金多孔材料可制成：粉末冶金多孔材料可制成：宇航用发汗材料；过滤器；催化剂载体；含油自润滑轴承宇航用发汗材料；过滤器；催化剂载体；含油自润滑轴承宇航用发汗材料；过滤
19、器；催化剂载体；含油自润滑轴承宇航用发汗材料；过滤器；催化剂载体；含油自润滑轴承5.2 其他新型成形方法简介其他新型成形方法简介 快速成形技术半固态合金成形电磁成形液压成形一、一、快速成形技术快速成形技术1.1.分层实体成形法分层实体成形法(LOM法法)2.2.立体印刷成形法立体印刷成形法(SLA法法)3.3.选择性激光烧结法选择性激光烧结法(SLS法法)4.4.熔融沉积成形法熔融沉积成形法(FDM法法)快速成形技术根据材料堆积原理制造实物产品。1.1.分层实体成形法分层实体成形法(LOM法法)2.2.(laminated object manufacturinglaminated objec
20、t manufacturing)2.2.立体印刷成形法立体印刷成形法(SLA法法)（stereo lithography apparatusstereo lithography apparatus）SLA SLA（stereo stereo lithography lithography apparatusapparatus）是是是是基基基基于于于于液液液液态态态态光光光光敏敏敏敏树树树树脂脂脂脂光光光光固固固固化化化化原原原原理理理理工工工工作作作作的的的的，其其其其工工工工作作作作原原原原理理理理如如如如图图图图所所所所示示示示,液液液液槽槽槽槽中中中中盛盛盛盛满满满满液液液液态态态态光光
21、光光敏敏敏敏树树树树脂脂脂脂，紫紫紫紫外外外外波波波波长长长长的的的的激激激激光光光光束束束束在在在在偏偏偏偏转转转转镜镜镜镜作作作作用用用用下下下下于于于于液液液液面面面面上上上上按按按按截截截截面面面面轮轮轮轮廓廓廓廓信信信信息息息息扫扫扫扫描描描描，光光光光点点点点经经经经过过过过的的的的地地地地方方方方，受受受受辐辐辐辐射射射射的的的的液液液液体体体体就就就就固固固固化化化化，这这这这样样样样一一一一次次次次平平平平面面面面扫扫扫扫描描描描便便便便加加加加工工工工出出出出一一一一个个个个与与与与分分分分层层层层平平平平面面面面图图图图形形形形相相相相对对对对应应应应的的的的层层层层面面
22、面面，并并并并与与与与前前前前一一一一层层层层已已已已固固固固化化化化部部部部分分分分牢固地粘结起来。如此反复直到整个产品完成。牢固地粘结起来。如此反复直到整个产品完成。牢固地粘结起来。如此反复直到整个产品完成。牢固地粘结起来。如此反复直到整个产品完成。3.3.选择性激光烧结法选择性激光烧结法(SLS法法)（selected laser sinteringselected laser sintering）S SL L S S S SL L S S与与与与S SL LA AS SL LA A 工工艺艺在在材材工工艺艺在在材材料料、激激光光器器和和材材料料进进给给料料、激激光光器器和和材材料料进进
23、给给方方式式上上有有较较大大差差别别。工工方方式式上上有有较较大大差差别别。工工作作原原理理如如图图所所示示：成成形形作作原原理理如如图图所所示示：成成形形时时先先在在工工作作台台上上铺铺上上一一时时先先在在工工作作台台上上铺铺上上一一层层粉粉末末材材料料，激激光光束束在在层层粉粉末末材材料料，激激光光束束在在计计算算机机的的控控制制下下，按按照照计计算算机机的的控控制制下下，按按照照截截面面轮轮廓廓的的信信息息，对对制制截截面面轮轮廓廓的的信信息息，对对制制件件的的实实心心部部分分所所在在的的粉粉件件的的实实心心部部分分所所在在的的粉粉末末进进行行烧烧结结。一一层层完完成成末末进进行行烧烧结
24、结。一一层层完完成成后后，工工作作台台下下降降一一个个层层后后，工工作作台台下下降降一一个个层层厚厚，再再进进行行后后一一层层的的铺铺厚厚，再再进进行行后后一一层层的的铺铺粉粉烧烧结结。如如此此循循环环，最最粉粉烧烧结结。如如此此循循环环，最最终终 形形 成成 三三 维维 产产 品品。终终 形形 成成 三三 维维 产产 品品。4.4.熔融沉积成形法熔融沉积成形法(FDM法法)（fused deposition modelingfused deposition modeling）FDMFDM也也也也 称称称称 丝丝丝丝 状状状状材材材材料料料料选选选选择择择择性性性性熔熔熔熔覆覆覆覆，工工工工作
25、作作作原原原原理理理理如如如如图图图图所所所所示示示示：三三三三维维维维喷喷喷喷头头头头在在在在计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制下下下下，根根根根据据据据截截截截面面面面轮轮轮轮廓廓廓廓的的的的信信信信 息息息息，做做做做 x-yx-y运运运运 动动动动。丝丝丝丝材材材材（如如如如塑塑塑塑料料料料丝丝丝丝）由由由由供供供供丝丝丝丝机机机机构构构构送送送送至至至至喷喷喷喷头头头头，并并并并在在在在喷喷喷喷头头头头中中中中加加加加热热热热、熔熔熔熔化化化化，然然然然后后后后被被被被选选选选择择择择性性性性地地地地涂涂涂涂覆覆覆覆在在在在工工工工作作作作台台台台上上上上，快快快快速速速速冷冷
26、冷冷却却却却后后后后形形形形成成成成一一一一层层层层截截截截面面面面。一一一一层层层层完完完完成成成成后后后后，工工工工作作作作台台台台下下下下降降降降一一一一层层层层厚厚厚厚度度度度，再再再再进进进进行行行行后后后后一一一一层层层层的的的的覆覆覆覆涂涂涂涂，如如如如此此此此循循循循环环环环，形形形形成成成成三三三三维维维维产品。产品。产品。产品。二、半固态合金成形二、半固态合金成形 半固态合金成形是介于液态成形和固态成形之间的一中成形方法。三、电磁成形三、电磁成形 电磁成形是利用瞬间的高压脉冲磁场，迫使金属产生塑性变形，从而实现成形的新型塑性加工方法，属于高能率加工。四、液压成形四、液压成形 管材液压成形 液压胀形 板材液压成形五、计算机技术在材料成形中的应用五、计算机技术在材料成形中的应用(一)计算机技术在铸造工业中的应用(二)计算机技术在塑性成形加工中的应用(三)计算机技术在焊接工业中的应用